圆弧板透空式防波堤消波性能试验研究

潘春昌，王国玉，任 冰，王永学

(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024)

随着社会的不断发展和科技的不断进步，船舶趋向大型化，港口码头的泊位也在向深水发展，而斜坡堤和直立堤等传统防波堤造价随着水深迅速增加，并且由于技术比较复杂、施工期较长，不适于在水深浪大的区域建造。另外，传统的防波堤不透流，阻碍了港内外的水体交换，导致口门处流速增大，不利于船舶的通行，对港内的水质保持和生态环境也造成了不利的影响。由于表层水体集中了波浪的大部分能量，浮式防波堤和透空式防波堤等新型防波堤得到了重视和发展。这些新型的防波堤能够很好地适应深水和地基软弱的情况，并且造价低廉，对环境友好。虽然新型防波堤相对于传统防波堤有诸多优点，并且在实际工程中也有应用，但由于结构的透空，尤其是在长周期波浪作用下，较多的透过能量会使港内波高增大，影响港内的泊稳条件，所以目前仍难以广泛的作为永久性的防浪设施利用。另外，透空式防波堤的下部结构承担了结构所受的大部分波浪力，在恶劣的海况下，其自身的安全性与稳定性受到严重的威胁。

透空式防波堤是一类下部透空、上部为连续的挡浪结构，使堤前波浪的能量大部分不能向堤后传播的防波堤。透空式防波堤结构是由Weigel［1］于1961年所提出，近年来逐渐被重视，并有国内外许多学者对其进行了研究。Jarlan［2］提出过一种迎浪面挡板开孔，中间是消能气室，而背侧挡板不可渗的防波堤。Mani和Jayakumar［3］通过试验方法研究了由圆筒组成的透空结构的消浪效果。Brossard等［4］和王科［5］分别对水平潜式板防波堤的消浪性能进行了研究，认为潜式水平板消浪的作用机理是浅水效应。Neelamani等［6-7］提出一种“T”型和“⊥”型半潜式防波堤，并进行了物理模型试验研究。严以新等［8］通过物模试验探讨了多层挡板透空式防波堤的消浪特性，指出了此种防波堤消浪效果的主要影响因素是挡板的透空率及设置方式。Gunaydin等［9］通过物理模型试验研究了“U”型的透空式结构的消波性能，并考察了结构开孔率对消波效果的影响。王国玉等［10］提出了一种多层水平板透空式防波堤，并通过物理模型试验进行了验证。陈旭达等［11］通过物理模型试验讨论了相对板间距、相对潜深对双层水平板型防波堤的消浪性能及结构受力的影响。

目前，我国已经有数个采用了新型结构的工程项目，其中大连港大窑湾新港区的岛堤建设是中国内首次采用了透空式沉箱结构——梳式防波堤，已于2001年建成。该结构集造价低廉、消浪、透流、降低地基应力和环保等诸多优势于一体，并在实际应用中发挥了良好的效果，是我国具有独立知识产权的一种新型水工结构［12］。另外，福建的黄岐湾渔港［13］，上海的金山客货轮渡码头［14］，吴淞口炮台湾船舶基地工程［15］等都有过透空式结构的实际应用。

在1994年“深水防波堤”国际专题讨论会［16］上，较早的介绍了半圆形防波堤的结构型式。谢世楞［17］结合数值模拟、物理模型试验和工程应用详细介绍了半圆形防波堤的设计和研究进展。袁德奎［18］通过理论分析和物理模型试验研究了非线性水波与半圆型防波堤相互作用的力学机制，并提出了相应的数学模型。刘长根等［19］利用时变雷诺方程模型模拟了孤立波与半圆型防波堤的相互作用。吴进等［20］对半圆型防波堤就行了改进，提出了弧面格型结构防波堤。

结合透空式防波堤和圆弧面式结构的优点，提出一种由多层圆弧板组成的新型透空式的防波堤，并在物理水槽内，对其在二维规则波浪作用下的消波性能开展了试验研究工作，以深入了解该结构的消波原理和特性，并对影响结构消波效果的因素，如圆弧板的间距和层数等，进行了初步探讨。

1 物理模型试验

物理模型试验在波流水槽中进行，水槽尺寸为22 m×0.45 m×0.6 m(长×宽×高)。水槽前端装有电机式造波机，可产生平稳、重复性好的规则波，水槽末端安装有消能网，用于吸收波浪能量，减少波浪反射。

试验水槽中模型及仪器的布置如图1所示。模型放置于水槽中间偏后的位置，模型前布置1号和2号两个浪高仪，间距Δl1是0.200 m，模型后布置3号和4号两个浪高仪，间距Δl2是0.320 m，分别同时记录4点的波面过程线。对1号、2号和3号、4号浪高仪数据分别通过Goda两点法［21］，可得出模型对波浪的的反射系数和透射系数。

图1 模型布置示意Fig.1 Details of wave flume and experimental setup

圆弧板透空式防波堤结构的模型平面图和断面图如图2(a)所示。为比较圆弧板透空式防波堤结构的消波效果，作为对比试验，试验中采用了与圆弧板宽度一致的水平板透空式结构，该模型的平面图和断面图如图2(b)所示。圆弧板和水平板材料均采用宽度为0.45 m、厚度为0.01 m的有机玻璃。在板材的四角开孔，四根螺纹杆分别由四角的空中通过，上下由螺母固定，螺纹杆焊接在底部铁板上，这样就构成了圆弧板或水平板透空式防波堤结构。试验中，将模型固定在水槽底部，同时通过上方的支架将模型固定。图3(a)和(b)分别是制作好的圆弧板和水平板透空式防波堤模型照片。

图2 试验模型平面和断面示意Fig.2 Floor plans and profiles of models

图3 试验模型照片Fig.3 Photo view of models

物理模型试验采用规则波浪，波要素如表1所示。试验水深为0.4 m，波浪周期分别0.73、0.91、1.10、1.28和1.46 s，对应的波长分别为0.83、1.25、1.70、2.12和2.53 m。如按模型试验比尺1∶30考虑，则分别对应实际波浪周期为4、5、6、7 和8 s。

表1 试验波要素Tab.1 Wave parameters for model test

试验中的主要物理参数如表2所示，其中水深为h，波浪参数波高为H、周期为T、波长为L，模型入水深度为d1(顶层板固定处顶面入水深度)，模型参数宽度为W、弧形板高度为d2，反射系数为Kr，透射系数为Kt，相邻板之间距离为S。

表2 试验主要物理参数Tab.2 Symbol description for experimental setup parameters

模型试验分别对圆弧板和水平板透空式防波堤模型进行了不同层数和不同的布置方式条件下波面进行了观测。按表1所示波要素进行试验，试验组次见表3，每组试验重复3次，取其平均值作为最后试验结果。试验中采用的采样间隔为0.02 s，采样个数1 024。

表3 模型试验组次表Tab.3 Model test cases

图4 圆弧板透空式防波堤试验照片Fig.4 Photos for the arc-plate type breakwater

图5 水平板透空式防波堤试验照片Fig.5 Photos for the horizontal plate type breakwater

图4和图5分别给出了圆弧板透空式防波堤和水平板透空式防波堤模型的试验照片。在入射波高H=0.04 m和0.08 m时，各种组合的圆弧板式结构均使波浪发生破碎，其中在入射波高H=0.04 m时，各组次均无越浪;在入射波高H=0.08 m时，入水深度d1=-0.03 m时无越浪，其他情况均有越浪。试验时，可以明显的观察到堤后波高小于堤前的入射波高。由于结构与波浪的相互作用，波浪形态发生改变，甚至破碎，波能衰减，从而起到消波的作用。在不同周期的入射波作用下，能量衰减的程度不同，消波效果有明显差异。波浪周期较短时，波浪破碎现象明显，消波效果显著。在入射波高H=0.04 m和0.08 m时，各种组合的水平板式结构同样均使波浪发生破碎，波高H=0.04 m和入水深度d1=-0.03 m时，无越浪，其他情况均有越浪。试验时，消波效果亦比较明显，与同样波要素作用下参数相同的圆弧板式结构的情况相比，堤后波高稍大。

2 数据分析

物理模型试验主要分析了圆弧板透空式防波堤与水平板式透空式防波堤消波性能的对比，并探讨了圆弧板的层数和板间距等因素对其消波效果的影响。

2.1 圆弧板和水平板透空式防波堤消波性能对比

物理模型试验中进行了层数N=2，顶层板置于水面时圆弧板(d2=0.05 m)透空式防波堤和水平板(d2=0 m)透空式防波堤的消波性能观测。图6给出了圆弧板和水平板透空式防波堤模型在不同入射波高条件下对波浪的反射系数和透射系数的试验结果。由以上结果可以看出，圆弧板透空式结构的消波性能较水平板透空式结构具有明显的提升。圆弧板透空式防波堤结构的反射系数Kr与透射系数Kt均较小，尤其在较小波高即H=0.04 m的情况下，圆弧板式结构的优势更加明显。当相对宽度W/L在0.25～0.55时(短周期波浪)，圆弧板透空式防波堤的透射系数与水平板透空式防波堤的透射系数相比，降低幅度约为50%;当相对宽度W/L=0.18时(长周期波浪)，相应的降低幅度约为16%。

图6 圆弧板和水平板透空式防波堤消波效果对比(N=2，S=0.05 m，d1=0 m)Fig.6 Comparison of Kt＆ Krbetween the arc-plate and horizontal plate breakwaters(N=2，S=0.05 m，d1=0 m)

物理模型试验中进行了层数N=3，顶层板置于水面时圆弧板(d2=0.05 m)透空式防波堤和水平板(d2=0 m)透空式防波堤的消波性能观测。图7给出了圆弧板和水平板透空式防波堤模型在不同入射波高条件下对波浪的反射系数和透射系数的试验结果。三层板时，当水位变动为在第一、二层板中间位置时，两种结构的消波效果都有变好的趋势，同时圆弧板的优势仍能明显保持。在相对宽度W/L=0.18时，在两种波高情况下透射系数Kt的减小幅度均最小，都减小了约15%，其他情况下效果更加明显，减小幅度都在20%以上，甚至在某些情况下达到60%以上，消波效果显著。

图7 圆弧板和水平板透空式防波堤消波效果对比(N=3，S=0.05 m，d1=-0.03 m)Fig.7 Comparison of Kt＆ Krbetween the arc-plate and horizontal plate breakwaters(N=3，S=0.05 m，d1=-0.03 m)

这两种结构的消波原理都是破坏水质点的运动轨迹，其中水平板的作用机理是破坏水质点的竖向运动轨迹，使波浪发生浅水效应，在波浪通过该结构时，使其发生破碎，达到衰减波能的效果，减小透射波高。与此类似，圆弧板式结构能同时破坏水质点的横向运动轨迹和竖向运动轨迹，水质点的运动较水平板式结构更加复杂，浅水效应更加明显，波能的衰减程度更大，同时其板间波浪破碎更明显，大波高时有越浪的现象，且其迎浪面积较大，对波浪的阻挡效果也增强。另外，波浪经过圆弧板结构传播时，弧形板之间的水体表现为水平方向的压力流状态，由于圆弧板的存在，使得圆弧板之间的水体在水平方向上的流动变得困难，这也从宏观上增强了结构对波浪的衰减作用。因而圆弧板结构的消波效果比水平板式结构有了较大改善。

2.2 圆弧板透空式防波堤消波效果的影响因素

对于圆弧板透空式防波堤结构，物理模型试验中探讨了相邻圆弧板的间距和圆弧板层数对其消波效果的影响。本次试验主要讨论了圆弧板高度d2=0.05 m时，板间距和板的层数对该结构消波效果的影响，其中板间距采用了S=0.05 m、0.10 m和0.15 m三种情况，且三种情况的入水深度均为d1=0.05 m;讨论板的层数影响时，入水深度均为d1=0.05 m，板间距均为S=0.05 m，共有N=2、4、6三种情况。

图8给出了不同板间距条件下，两层圆弧板透空式防波堤模型在不同入射波高条件下对波浪的反射系数和透射系数的试验结果。当入射波高H=0.04 m时，板间距S=0.05 m的情况消波效果明显优于其他两种情况，在不同的相对宽度时Kt均明显小于其他两种情况。相对宽度W/L=0.18时，透射系数Kt的减小幅度最小，达到15%，在相对宽度W/L＞0.30时，透射系数Kt＜0.20，比板间距S=0.10 m和0.15 m时小50%以上。当H=0.08 m时，板间距S=0.05 m的情况的透射系数Kt较板间距S=0.15 m时小，相对宽度W/L＞0.30时，板间距S=0.05 m的情况的Kt减小幅度在30%以上。而对于板间距S=0.10 m的情况，当相对宽度W/L较小时，其透射系数Kt介于其他两种情况之间;当相对宽度W/L＜0.22时，其透射系数Kt较板间距S=0.05 m稍小，但减小幅度不大，在5%以下。

分析其原因，在波高较小时，波浪的影响深度也较小，板间距增大时，下层板的作用效果不明显;当波高较大时，波浪的影响深度变大，所以在板间距增大时其消波效果较小波高时提高明显，甚至在较大的相对宽度W/L时S=0.10 m的透射系数Kt比板间距S=0.05 m的情况还要少，但鉴于其减小的幅度不大，且板间距S=0.05 m的情况可以通过增加板的层数来弥补，所以总体来说，板间距较小时，圆弧板式结构的消波效果较佳。

图8 不同板间距时圆弧板透空式防波堤对波浪的反射系数和透射系数试验结果(N=2，d1=0 m)Fig.8 Comparison of Kt＆ Krfor different arc plate spacings(N=2，S=0.05 m，d1=0 m)

图9给出了不同板数的圆弧板透空式防波堤模型在不同入射波高条件下对波浪的反射系数和透射系数的试验结果。可以看出，在波高H=0.04 m的情况下，透射系数Kt和反射系数Kr都比较接近，差别并不明显;在波高H=0.08 m情况下，当N=2增加到N=4时，透射系数Kt和反射系数Kr均有一定程度的减小，且比较明显，而N=4增加到N=6时，透射系数Kt和反射系数Kr比较接近，变化幅度很小。

两种波高情况下，板间距S均为0.05 m。当波高H=0.04 m时，H＜S，此时波浪的影响深度较小，下层板的作用甚微，因而板层数的增加对消波效果并无明显的提升。当波高H=0.08 m时，S＜H＜2S，此时波浪的影响深度较大，所以当板层数增加到4时，靠下部的两层板仍能起到一定作用，改善消浪性能;而当板的层数增加到6时，波浪对下部的两层板的影响十分有限，所以消浪效果并无提升。这表明，适当增加圆弧板的层数能够提高此种结构的消波效果，特别是在大波高、长周期的情况下效果提升比较明显。

图9 不同层数的圆弧板透空式防波堤对波浪的反射系数和透射系数试验结果(S=0.05 m，d1=0 m)Fig.9 Comparison of Kt＆ Krfor different numbers of arc plates(S=0.05 m，d1=0 m)

3 结语

通过二维水槽中的规则波浪模型试验，对一种由圆弧板组成的新型透空式防波堤结构的消波效果进行了比较和分析，研究结果表明:

1)与水平板透空式防波堤结构相比，圆弧板透空式防波堤消波性能有较大提升，其对波浪的反射系数和透射系数均较小。在相对宽度较大W/L＞0.25时，透射系数较水平板结构可减小50%左右，对短周期波浪尤为明显，透射系数减小可达80%。当结构出水时，多层圆弧板透空式防波堤的消波效果较入水深度d1=0时提高，可以满足对实际工程的应用，且对水平板式结构的优势仍能保持。

2)相对宽度W/L是影响圆弧板透空式防波堤消波效果的主要因素。当相对宽度W/L=0.2时，圆弧板结构可使透射系数降低到0.5，特别是当相对宽度W/L=0.30时，透射系数甚至可达0.2以下。同时结构对波浪的反射系数Kr较小，可以控制在0.50以下。

3)圆弧板的间距对圆弧板透空式防波堤的消波性能影响较大，板间距较小时，消波效果较好。

4)适当增加圆弧板的层数能够提高圆弧板透空式防波堤的消波性能。

［1］ Weigel R L.Closely spaced pilesas a breakwater［J］.The Dock and Harbour Authority，1961，42(491):150.

［2］ Jarlan J E.A perforated vertical wall breakwater［J］.The Dock and Harbour Authority，1961，41(486):394-398.

［3］ Mani J S，Jayakumar S.Wave transmission by suspended pipe breakwater［J］.Journal of Waterway，Port，Coastal，and Ocean Engineering，1995，121(6):335-338.

［4］ Brossard J，Chagdali M.Experimental investigation of the harmonic generation by waves over a submerged plate［J］.Coastal Engineering，2001，42(4):277-290.

［5］ 王 科.潜式水平板型防波堤消波效果研究［D］.大连:大连理工大学，2001.(WANG Ke.Study on submerged horizontal plate-type breakwater［D］.Dalian:Dalian University of Technology，2001.(in Chinese))

［6］ Neelamani S，Rajendran R.Wave interaction with T-type breakwaters［J］.Ocean Engineering，2002(29):151-175.

［7］ Neelamani S，Rajendran R.Wave interaction with‘⊥’-type breakwaters［J］.Ocean Engineering，2002(29):561-589.

［8］ 严以新，郑金海，曾小川，等.多层挡板桩基透空式防波堤消浪性能试验研究［J］.海洋工程，1998，16(1):67-74.(YAN Yi-xin，ZHENG Jin-hai，ZENG Xiao-chuan，et al.Characteristics of wave dissipation for pile-foundation tier-retainer breakwaters［J］.The Ocean Engineering，1998，16(1):67-74.(in Chinese))

［9］ Gunaydin K，Kabdasli M S.Performance of solid and perforated U-type breakwaters under regular and irregular waves［J］.Ocean Engineering，2004，31(11-12):1377-1405.

［10］王国玉，王永学，李广伟.多层水平板透空式防波堤消浪性能试验研究［J］.大连理工大学学报，2005，45(6):865-870.(WANG Guo-yu，WANG Yong-xue，LI Guang-wei.Experimental study of wave-damping performance of multiple layer breakwater［J］.Journal of Dalian University of Technology，2005，45(6):865-870.(in Chinese))

［11］陈旭达，张宁川.一种新型透空式防波堤水动力特性试验研究［J］.水道港口，2011，32(1):7-11.(CHEN Xu-da，ZHANG Ning-chuan.Study of hydrodynamic performance of a new-type penetrating breakwaters［J］.Journal of Waterway and Harbor，2011，32(1):7-11.(in Chinese))

［12］穆 森，朱 浩，刘国宝.梳式防波堤兼码头结构翼板研究［J］.水运工程，2011(8):41-45.(MU Sen，ZHU Hao，LIU Guo-bao.On flange slab of comb-type breakwater also as pier structure［J］.Port＆ Waterway Engineering，2011(8):41-45.(in Chinese))

［13］谢怀东.黄岐渔港新型透空式防波堤设计研究［J］.河海大学学报，1997，25(4):42-46.(XIE Huai-dong.Study and design of new type perforated breakwater for Huangqi fishery harbour［J］.Journal of Hohai University，1997，25(4):42-46.(in Chinese))

［14］徐 红.金山车客轮渡码头增设挡浪结构简介［J］.水运工程，2000，319(8):82-83.(XU Hong.Brief introduction on constructing an additional wave screening structure at Jinshan ferry wharf［J］.Port＆ Waterway Engineering，2000，319(8):82-83.(in Chinese))

［15］曹根祥，蔡福康.炮台湾船舶基地固定透空式防波堤施工［J］.水运工程，1995(12):35-39.(CAO Gen-xiang，CAI Fu-kang.Construction of a fixed open type breakwater of ship base in Paotai Bay［J］.Port ＆ Waterway Engineering，1995(12):35-39.(in Chinese))

［16］谢世楞.深水防波堤技术的最新进展—94深水防波堤国际会议报导［J］.港工技术，1994(2):1-10.(XIE Shi-leng.Recent progress of deepwater breakwater technology—A report on the international workshop on wave barriers in deepwaters［J］.Port Engineering Technology，1994(2):1-10.(in Chinese))

［17］谢世楞.半圆形防波堤的设计和研究进展［J］.中国工程科学，2000，2(11):35-39.(XIE Shi-leng.Progress in design and study of semi-circular breakwaters［J］.Engineering Science，2000，2(11):35-39.(in Chinese))

［18］袁德奎.半圆型防波堤水动力学特性数值模拟的理论、方法和应用［D］.天津:天津大学，2004.(YUAN De-kui.Studying on hydrodynamic characteristics of semi-circular breakwaters with numerical model［D］.Tianjin:Tianjin University，2004.(in Chinese))

［19］刘长根，陶建华.用时变雷诺方程模型模拟孤立波与半圆型防波堤的相互作用［J］.应用数学和力学，2004，25(10):1023-1032.(LIU Chang-gen，TAO Jian-hua.Modeling the interaction of solitary waves and semi-circular breakwaters by using unsteady Reynolds equations［J］.Applied Mathematics and Mechanics，2004，25(10):1023-1032.(in Chinese))

［20］吴 进，谢善文.弧面格型结构防波堤［J］.港工技术，2006(3):26-28.(WU Jin，XIE Shan-wen.Curve face celluar structure breakwater［J］.Port Engineering Technology，2006(3):26-28.(in Chinese))

［21］俞聿修.随机波浪及其工程应用［M］.大连:大连理工大学出版社，2000.(YU Yu-xiu.Random Wave and Its Applications for Engineering［M］.Dalian:Dalian University of Techology Press，2000.(in Chinese))